En résolvant une énigme qui a confondu les biologistes depuis que les spores bactériennes – des bactéries inertes et endormies – ont été décrites pour la première fois il y a in addition de 150 ans, des chercheurs de la Harvard Health care School ont découvert un nouveau variety de capteur cellulaire qui permet aux spores de détecter la présence de nutriments dans leur environnement et reprennent rapidement vie.
Il s’avère que ces capteurs servent également de canaux à travers la membrane et restent fermés pendant la dormance mais s’ouvrent rapidement lorsqu’ils détectent des nutriments. Une fois ouverts, les canaux permettent aux ions chargés électriquement de s’écouler à travers la membrane cellulaire, déclenchant la perte des couches de spores protectrices et l’activation des processus métaboliques après des années, voire des siècles, de dormance.
Les découvertes de l’équipe, publiées le 28 avril dans Science, pourraient aider à concevoir des moyens d’empêcher les spores bactériennes dangereuses de rester inactives pendant des mois, voire des années, avant de se réveiller à nouveau et de provoquer des épidémies.
“Cette découverte résout une énigme vieille de additionally d’un siècle”, a déclaré l’auteur principal de l’étude, David Rudner, professeur de microbiologie à l’Institut Blavatnik du HMS. “Comment les bactéries détectent-elles les changements dans leur environnement et prennent-elles des mesures pour sortir de la dormance lorsque leurs systèmes sont presque complètement arrêtés à l’intérieur d’un boîtier protecteur ?”
Remark les bactéries endormies reviennent à la vie
Pour survivre à des situations environnementales défavorables, certaines bactéries entrent en dormance et deviennent des spores, avec des processus biologiques suspendus et des couches d’armure protectrice autour de la cellule.
Ces mini-forteresses biologiquement inertes permettent aux bactéries d’attendre les périodes de famine et de se protéger des ravages de la chaleur extrême, des périodes de sécheresse, des rayons UV, des produits chimiques agressifs et des antibiotiques.
Depuis as well as d’un siècle, les scientifiques savent que lorsque les spores détectent des nutriments dans leur environnement, elles perdent rapidement leurs couches protectrices et rallument leurs moteurs métaboliques. Bien que le capteur qui leur permet de détecter les nutriments ait été découvert il y a près de 50 ans, les moyens de délivrer le signal de réveil et la manière dont ce sign déclenche la renaissance bactérienne restaient un mystère.
Dans la plupart des cas, la signalisation repose sur l’activité métabolique et implique souvent des gènes codant pour des protéines pour fabriquer des molécules de signalisation spécifiques. Cependant, ces processus sont tous bloqués à l’intérieur d’une bactérie dormante, ce qui soulève la dilemma de savoir comment le sign induit le réveil de la bactérie endormie.
Dans cette étude, Rudner et son équipe ont découvert que le capteur de nutriments lui-même s’assemble dans un conduit qui ouvre la cellule pour les affaires. En réponse aux nutriments, le conduit, un canal membranaire, s’ouvre, permettant aux ions de s’échapper de l’intérieur des spores. Cela déclenche une cascade de réactions qui permettent à la cellule dormante de se débarrasser de son armure protectrice et de reprendre sa croissance.
Les scientifiques ont utilisé plusieurs pistes pour suivre les rebondissements du mystère. Ils ont déployé des outils d’intelligence artificielle pour prédire la framework du complexe de capteurs complexe, une composition composée de cinq copies de la même protéine de capteur. Ils ont appliqué l’apprentissage automatique pour identifier les interactions entre les sous-unités qui composent le canal. Ils ont également utilisé des techniques d’édition de gènes pour inciter les bactéries à produire des capteurs mutants afin de tester la façon dont les prédictions informatiques se sont déroulées dans les cellules vivantes.
“Ce que j’aime dans la science, c’est quand vous faites une découverte et que soudainement toutes ces observations disparates qui n’ont pas de sens se mettent soudainement en place”, a déclaré Rudner. “C’est comme si vous travailliez sur un puzzle, et vous trouvez où va une pièce et tout à coup vous pouvez insérer 6 autres pièces très rapidement.”
Rudner a décrit le processus de découverte dans ce cas comme une série d’observations déconcertantes qui ont lentement pris forme, grâce à une équipe de chercheurs aux views diverses travaillant ensemble en synergie.
En cours de route, ils ont continué à faire des observations surprenantes qui les ont déconcertés, des indices suggérant des réponses qui ne semblaient pas pouvoir être vraies.
Assembler les indices ensemble
Un leading indice est apparu lorsque Yongqiang Gao, un chercheur HMS du laboratoire Rudner, menait une série d’expériences avec le microbe Bacillus subtilis, que l’on trouve couramment dans le sol et un cousin de la bactérie qui result in l’anthrax. Gao a introduit des gènes d’autres bactéries qui forment des spores dans B. subtilis pour explorer l’idée que les protéines incompatibles produites interféreraient avec la germination. À sa grande surprise, Gao a découvert que dans certains cas, les spores bactériennes se réveillaient parfaitement avec un ensemble de protéines provenant d’une bactérie apparentée de loin.
Lior Artzi, un boursier postdoctoral du laboratoire au instant de cette recherche, a proposé une explication à la découverte de Gao. Et si le capteur était une sorte de récepteur qui agissait comme une porte fermée jusqu’à ce qu’il détecte un signal, dans ce cas un nutriment comme un sucre ou un acide aminé ? Une fois que le capteur se lie au nutriment, la porte s’ouvre, permettant aux ions de sortir de la spore.
En d’autres termes, les protéines de bactéries éloignées n’auraient pas besoin d’interagir avec des protéines de spores de B. subtilis incompatibles, mais répondraient simplement aux changements de l’état électrique de la spore lorsque les ions commencent à circuler.
Rudner était initialement sceptique quant à cette hypothèse car le récepteur ne correspondait pas au profil. Il n’avait presque aucune des caractéristiques d’un canal ionique. Mais Artzi a fait valoir que le capteur pourrait être composé de plusieurs copies de la sous-unité travaillant ensemble dans une construction moreover complexe.
L’IA est entrée dans le chat
Un autre postdoctorant, Jeremy Amon, l’un des premiers à adopter AlphaFold, un outil d’IA capable de prédire la framework des protéines et des complexes protéiques, étudiait également la germination des spores et était prêt à étudier le capteur de nutriments.
L’outil a prédit qu’une sous-unité particulière du récepteur s’assemble en un anneau à cinq unités connu sous le nom de pentamère. La construction prédite comprenait un canal au milieu qui pourrait permettre aux ions de traverser la membrane de la spore. La prédiction de l’outil d’IA était exactement ce qu’Artzi avait soupçonné.
Gao, Artzi et Amon se sont ensuite associés pour tester le modèle généré par l’IA. Ils ont travaillé en étroite collaboration avec un troisième postdoctorant, Fernando Ramírez-Guadiana et les groupes d’Andrew Kruse, professeur HMS de chimie biologique et de pharmacologie moléculaire, et de la biologiste computationnelle Deborah Marks, professeure associée HMS de biologie des systèmes.
Ils ont conçu des spores avec des sous-unités de récepteurs altérées censées élargir le canal membranaire et ont découvert que les spores se réveillaient en l’absence de signaux de nutriments. D’un autre côté, ils ont généré des sous-unités mutantes qui, selon eux, réduiraient l’ouverture du canal. Ces spores n’ont pas réussi à ouvrir la porte pour libérer des ions et se réveiller de la stase en présence de nombreux nutriments pour les sortir de la dormance.
En d’autres termes, un léger écart par rapport à la configuration prévue du complexe plié pourrait laisser la porte bloquée ouverte ou fermée, la rendant inutile comme outil pour réveiller les bactéries dormantes.
Implications pour la santé humaine et la sécurité alimentaire
Comprendre remark les bactéries dormantes reviennent à la vie n’est pas seulement un casse-tête intellectuellement tentant, a déclaré Rudner, mais un casse-tête avec des implications importantes pour la santé humaine. Un specified nombre de bactéries capables d’entrer en dormance profonde pendant des périodes de temps sont des agents pathogènes dangereux, voire mortels : La forme blanche poudreuse de l’anthrax militarisé est composée de spores bactériennes.
Un autre agent pathogène sporulé dangereux est Clostridioides difficile, qui provoque une diarrhée et une colite potentiellement mortelles. La maladie causée par C. difficile survient généralement après l’utilisation d’antibiotiques qui tuent de nombreuses bactéries intestinales mais sont inutiles contre les spores dormantes. Après traitement, C. difficile se réveille de sa dormance et peut proliférer, souvent avec des conséquences catastrophiques.
L’éradication des spores est également un défi central dans les usines agroalimentaires vehicle les bactéries dormantes peuvent résister à la stérilisation en raison de leur armure protectrice et de leur état déshydraté. Si la stérilisation échoue, la germination et la croissance peuvent provoquer de graves maladies d’origine alimentaire et des pertes financières massives.
Comprendre remark les spores détectent les nutriments et sortent rapidement de la dormance peut permettre aux chercheurs de développer des moyens de déclencher la germination tôt, ce qui permet de stériliser les bactéries ou de bloquer la germination, en gardant les bactéries piégées à l’intérieur de leurs coquilles protectrices, incapables de se développer, de se reproduire et de gâcher les aliments ou provoquer une maladie.
Paternité, financement, divulgations
Parmi les autres auteurs figurent Kelly Brock et Joshua Cofsky, du HMS.
Le soutien à ce travail provient des subventions GM086466, GM127399, GM122512, AI171308 (DZR), AI164647 (DZR, ACK, DSM) des National Institutes of Overall health et des fonds de la Harvard Health-related University Dean’s Initiative. Amon a été financé par la subvention F32GM130003 des Nationwide Institutes of Well being. Artzi était membre de la Simons Foundation de la Everyday living Sciences Exploration Foundation.